Continúa el debate cosmológico

Nuestras ideas sobre el universo se basan en una simplificación centenaria conocida como el principio cosmológico. Sugiere que cuando se promedia a gran escala, el Cosmos es homogéneo y la materia se distribuye uniformemente por todas partes.

Esto permite una descripción matemática del espacio-tiempo que simplifica la aplicación de la teoría general de la relatividad de Einstein al universo como un todo.

Nuestros modelos cosmológicos se basan en esta suposición. Pero a medida que los nuevos telescopios, tanto en la Tierra como en el espacio, brindan imágenes cada vez más precisas y los astrónomos descubren objetos masivos como el arco gigante de los cuásares, esta base se ve cada vez más desafiada.

En nuestra revisión reciente publicada en Classical and Quantum Gravity, discutimos cómo estos nuevos descubrimientos nos obligan a reexaminar radicalmente nuestras suposiciones y cambiar nuestra comprensión del universo.

El legado de einstein

Albert Einstein enfrentó grandes dilemas hace 106 años cuando aplicó por primera vez sus ecuaciones de gravedad al universo como un todo. Ningún físico había intentado nunca algo tan audaz, pero fue una consecuencia natural de su idea clave. Como nos recuerda un libro de texto de 50 años: “La materia le dice al espacio cómo curvarse, y el espacio le dice a la materia cómo moverse”.

Los datos faltaban casi por completo en 1917 y la idea de que las galaxias eran objetos a grandes distancias era una opinión minoritaria entre los astrónomos.

El punto de vista convencional, aceptado por Einstein, era que todo el universo se parecía al interior de nuestra galaxia. Esta sugerencia sugiere que las estrellas deben tratarse como fluidos sin presión, distribuidos al azar pero con una densidad promedio bien definida: la misma u homogénea en cualquier parte del espacio.

Basado en la idea de que el universo es el mismo en todas partes, Einstein introdujo su constante cosmológica Λ, ahora conocida como “energía oscura”.

A pequeña escala, las ecuaciones de Einstein nos dicen que el espacio nunca se detiene. Pero forzar esto en el universo a gran escala no era natural. Por lo tanto, Einstein se sintió aliviado por el descubrimiento del universo en expansión a fines de la década de 1920. Incluso describió a Λ como su mayor error.

Las ideas sobre la materia han evolucionado, pero no la geometría.
Ahora tenemos modelos asombrosamente detallados de la física de las estrellas y las galaxias incrustadas en el universo en evolución. Podemos rastrear la astrofísica de las “cosas” desde pequeñas ondas de semillas en la bola de fuego primordial hasta estructuras complejas en la actualidad.

Nuestros telescopios son maravillosas máquinas del tiempo. Miran hacia atrás hasta cuando se formaron los primeros átomos y el universo se volvió transparente por primera vez.

Más allá está el plasma primordial, opaco como el interior y la superficie del sol. La luz que salió de la “superficie de la última dispersión” del universo estaba muy caliente en ese entonces, alrededor de 2.700 ℃.

Recibimos esa misma luz hoy, pero enfriada a menos 270 ℃ y diluida por la expansión del universo. Este es el fondo cósmico de microondas y es notablemente uniforme en todas las direcciones.

Esta es una fuerte evidencia de que el universo estaba muy cerca de ser espacialmente uniforme cuando era una bola de fuego. Pero hoy no hay evidencia directa de tal uniformidad.

Un universo ‘grumoso’

Hace mucho tiempo, nuestros telescopios revelan pequeñas galaxias fusionadas, creciendo hasta convertirse en estructuras cada vez más grandes hasta el día de hoy.

La expansión del universo se ha detenido por completo dentro de las mayores concentraciones de materia conocidas como cúmulos de galaxias. Donde el espacio se expande, los cúmulos se estiran en filamentos y láminas que se enroscan y rodean vastos vacíos, todos creciendo con el tiempo pero a ritmos diferentes. En lugar de ser suave, la materia forma una “red cósmica”.

Pero la idea de que el universo es espacialmente homogéneo perdura.

Habría una gran inconsistencia entre la red cósmica observada y una geometría curva promedio del espacio si todo lo que vemos es todo lo que hay. La evidencia de materia perdida ha existido desde las primeras observaciones de cúmulos de galaxias en 1933.

Nuestras primeras observaciones de la radiación de fondo cósmico de microondas y sus ondas en la década de 1965 cambiaron esa idea.

Nuestros modelos de física nuclear son maravillosamente predictivos. Pero solo son consistentes con las observaciones si la masa faltante en los cúmulos de galaxias es algo así como neutrinos que no pueden emitir luz. Así inventamos la materia oscura fría, que hace que la gravedad sea más fuerte dentro de los cúmulos de galaxias.

Se han gastado miles de millones tratando de detectar directamente la materia oscura, pero décadas de tales esfuerzos no han producido una detección definitiva de lo que constituye el 80% de toda la materia y el 20% de toda la energía en el universo actual.

Un cielo anómalo

La radiación de fondo cósmico de microondas no es perfectamente uniforme. Sobre él se superponen fluctuaciones, una de las cuales es anormalmente grande y tiene forma de dipolo: un diagrama yin-yang que cubre todo el cielo.

Podemos interpretar esto como un efecto debido al movimiento relativo, siempre que definamos la radiación de fondo cósmico de microondas como el marco de reposo del universo. Si no hiciéramos esto, necesitaríamos una explicación física para el gran dipolo.

Gran parte del rompecabezas se reduce a una asimetría de poder: un universo desequilibrado. Las temperaturas de los hemisferios por encima y por debajo del plano de la Vía Láctea son ligeramente diferentes a las esperadas.

Estas anomalías se han explicado durante mucho tiempo como resultado de procesos físicos no contabilizados en el modelado de emisiones de microondas de la Vía Láctea.

Materia dentro del cielo

La radiación de fondo cósmico de microondas no es la única observación de todo el cielo que muestra un dipolo. El año pasado, los investigadores utilizaron observaciones de 1,36 millones de cuásares distantes y 1,7 millones de fuentes de radio para probar el principio cosmológico. Descubrieron que la materia también está distribuida de manera desigual.

Otro misterio aún más discutido es la “tensión de Hubble”. Convencionalmente, asumimos que un promedio de todo el cielo de la tasa de expansión actual del universo da un valor bien definido: la constante de Hubble. Pero el valor medido difiere de lo esperado, dado un historial de expansión estándar basado en la radiación de fondo de microondas cósmica. Si permitiéramos cosmologías no homogéneas, este problema simplemente podría desaparecer.

Usando datos de fondo de microondas cósmicos de hemisferios opuestos individuales, un historial de expansión estándar implica diferentes “constantes” de Hubble en cada lado del cielo hoy.

Estos rompecabezas se ven agravados por una lista cada vez mayor de descubrimientos inesperados: un vasto arco gigante de cuásares y un universo primitivo complejo, brillante y lleno de elementos revelado por el telescopio espacial James Webb.

Si la materia es mucho más variada e interesante de lo esperado, quizás la geometría también lo sea.

Existen modelos que abandonan el principio cosmológico y hacen predicciones. Simplemente están menos estudiados que la cosmología estándar. El satélite Euclid de la Agencia Espacial Europea se lanzará este año. ¿Revelará Euclides que, en promedio, el espacio no es euclidiano? Si es así, entonces una revolución fundamental en la física podría estar a la vuelta de la esquina.

Con información de IOPScience